CN108091989A - 一种天线以及通信终端 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种天线以及通信终端，所述天线包括：天线背板，以及设置在所述天线背板上的多个有源阵列模块；多个所述有源阵列模块按照矩阵排列，各有源阵列模块之间具有第一预设距离；各有源阵列模块包括多个有源集成天线单元，且各有源集成天线单元之间具有第二预设距离，所述第一预设距离大于所述第二预设距离。所述天线包括上述天线。本发明实施例提供的一种天线以及通信终端，将多个有源集成天线单元集成有源阵列模块，单个有源阵列模块可以通过其中的有源集成天线单元独立实现波束赋形功能，多个有源阵列模块可以实现空间复用和空间分集功能，使得多输入多输出的MIMO天线同时具备较好的空间复用、空间分集和波束赋形功能。

Description

一种天线以及通信终端

技术领域

本发明实施例涉及无线通信技术领域，具体涉及一种天线以及通信终端。

背景技术

随着科技的发展，无线通信在人们生活中的应用越来越多，人们对无线通信的要求也越来越高。随着目前移动通信的普及和广泛应用，加上未来Internet的要求无线接入，用户要求大幅度地提高无线通信速率的愿望变得越来越强烈。

现有技术中，采用在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，改善通信质量，提高系统信道容量，即多输入多输出的MIMO天线。现有技术的MIMO天线，在传输方案设计时只能在空间复用、空间分集和波束赋形三个方案中，根据实际要求最大化地获取其中一种或两种增益，因为传统MIMO天线的设计存在技术方面的局限性。首先，从MIIMO天线振子的几何布局位置看，空间复用和空间分集技术要求天线所有振子的间距必须满足空间无关性，使由多振子产生的多通信信道间的干扰最小，理论上各振子间距越大越好，至少为1/4波长的奇数倍；而波束赋形技术要求天线所有振子的间距满足空间相干性，使由每个振子产生的电磁波相互干涉而能够相长相消，理论上要求振子间距保持为半波长的整数倍。其次，传统移动通信主频率的波长较长，无法使MIMO天线振子的大小和振子间距的尺寸做得小，无法让MIMO天线的振子数目较多，更不能使其模块化和集成化，客观上限制了天线振子设计的多样性。所以，传统MIMO天线几乎都是通过预编码方式来实现天线系统的空间复用、空间分集和波束赋形，效果十分有限。

大规模MIMO天线的设计同样因为辐射波长的限制，天线技术的发挥往往是用预编码技术来补偿天线实现空间复用、空间分集和波束赋形等功能，虽然有所改善，但同样存在许多不足。目前，大多数大规模MIMO天线的研究多表现在大规模MIMO天线系统在某个方面的改进方面，采用的也都是一些补偿方式，并不能真正使大规模MIMO天线的空间复用、空间分集和波束赋形等重要功能得到充分应用。如“大规模MIMO系统下自适应波束赋形模式的选择方法”结合基站天线阵列参数和信道模型，根据用户位置实现两用户单波束赋形模式和双波束赋形模式的自适选择，所谓多用户波束赋形仅仅局限于两个用户；又如“面向大规模MIMO TDD系统的3D波束成形方法”是通过DFT预波束成形和SLNR预编码的双层预编码，实现水平和垂直方向的3D波束成形，虽然可以降低计算的复杂度、导频开销，但它们必竞是通过编码方式实现的波束成形，效果当然不可能理想。

因此，如何提出一种解决方案，能够同时提高MIMO天线的空间复用、空间分集和波束赋形的功能，成为亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明实施例提供一种天线以及通信终端。

一方面，本发明实施例提供一种天线，包括：

天线背板，以及设置在所述天线背板上的多个有源阵列模块；

多个所述有源阵列模块按照矩阵排列，各有源阵列模块之间具有第一预设距离；

各有源阵列模块包括多个有源集成天线单元，且各有源集成天线单元之间具有第二预设距离，所述第一预设距离大于所述第二预设距离。

另一方面，本发明实施例提供一种通信终端，包括：上述的天线。

本发明实施例提供的一种天线以及通信终端，将多个有源集成天线单元集成有源阵列模块，单个有源阵列模块可以通过其中的有源集成天线单元独立实现波束赋形功能，多个有源阵列模块可以实现空间复用和空间分集功能，使得多输入多输出的MIMO天线同时具备较好的空间复用、空间分集和波束赋形功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中多输入多输出天线的结构示意图；

图2为本发明实施例中又一多输入多输出天线的结构示意图；

图3为本发明实施例中下倾角为60度各方位角的水平波束赋形的方向图；

图4为本发明实施例中方位角为45度各下倾角的垂直波束赋形的方向图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例中多输入多输出天线的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的一种天线包括：

天线背板01，以及设置在天线背板01上的多个有源阵列模块02；

多个有源阵列模块02按照矩阵排列，各有源阵列模块02之间具有第一预设距离；

各有源阵列模块02包括多个有源集成天线单元03，且各有源集成天线单元之间具有第二预设距离，所述第一预设距离大于所述第二预设距离。

具体地，如图所示，本发明实施例提供一种多输入多输出的MIMO天线，天线中包括天线背板01，天线背板01上设置有多个按照矩阵排列的有源阵列模块02。各有源阵列模块02包括多个有源集成天线单元03，各有源集成天线单元之间具有第二预设距离，各有源阵列模块02之间具有第一预设距离，其中第一预设距离大于第二预设距离，即相邻有源阵列模块02之间的第一预设距离要大于有源阵列模块02中的相邻有源集成天线单元03之间的距离。其中有源阵列模块和有源集成天线单元表示其具有有源电路，能够独立的工作。由于波束赋形技术要求天线所有振子的间距满足空间相干性，使由每个振子产生的电磁波相互干涉而能够相长相消，因此各振子之间的距离要比较小，而空间复用和空间分集技术要求天线所有振子的间距必须满足空间无关性，使由多振子产生的多通信信道间的干扰最小，理论上各振子间距越大越好。其中振子即为本发明实施例中的有源集成天线单元，将多个有源集成天线单元03集成有源阵列模块02，且各有源集成天线单元03之间的第二预设距离可以设置的比较小，单个有源阵列模块02中的有源集成天线单元03就可以独立实现波束赋形功能。而将有源阵列模块02之间的第一预设距离设置的比较大，使得各有源阵列模块02中的多振子产生的多通信信道间的干扰最小，可以实现空间复用和空间分集功能。

其中各有源阵列模块02之间的第一预设距离可以相同也可以不同，各有源集成天线单元03之间的第二预设距离也可以相同或不同，具体可以根据实际需要进行设置，天线中的有源阵列模块02的数量以及有源阵列模块02中的有源集成天线单元03的数量，都可以根据实际需要进行设置，本发明实施例不作具体限定。

例如：如图1所示，本发明实施例中的MIMO天线包括16个有源阵列模块02，各有源阵列模块02按照矩阵排列，各有源阵列模块02中包括4个有源集成天线单元03。其中有源阵列模块02中的相邻有源集成天线单元03沿如图1所示的x轴方向的距离为a，y轴方向的距离为b，相邻有源阵列模块02之间沿如图1所示的x轴方向的距离为A，y轴方向的距离为B。其中a和b为上述实施例中描述的第一距离，a和b的值可以相同也可以不同，A和B为上述实施例中描述的第二距离，A和B的值也可以相同或不同，具体数值可以根据需要进行设置，但是一般a和b的值远远小于A和B的值。由图1可以看出不同的两个或三个有源阵列模块02可以实现对用户信号进行空间分集和空间复用功能，即天线可以通过不同的有源阵列模块02同时对不同用户的信号进行处理，不同用户的信号的频率、时序可以相同，但所占空间不同。

本发明实施例提供的一种天线，将多个有源集成天线单元集成有源阵列模块，单个有源阵列模块可以通过其中的有源集成天线单元独立实现波束赋形功能，多个有源阵列模块可以实现空间复用和空间分集功能，使得多输入多输出的MIMO天线同时具备较好的空间复用、空间分集和波束赋形功能。

在上述实施例的基础上，各有源阵列模块包括多个有源集成天线单元，具体为：

各有源阵列模块包括由n×m个所述有源集成天线单元组成的二维结构，其中，n和m均为正整数。

具体地，各有源阵列模块中的多个有源集成天线单元可以排列成n×m的二维结构，其中，n和m均为正整数，具体数值可以根据实际需要进行设置，本发明实施例不作具体限定。如图1所示，n＝2，m＝2，其中x和y方向各有2个有源集成天线单元，即4个有源集成天线单元排列成正方形的二维结构的有源阵列模块。本发明实施例提供的天线主要是面向5G的有源大规模MIMO天线，因为5G有可能采用波长更短的载波，从而有条件使天线振子和振子之间的距离即本发明实施例中的有源集成天线单元之间的距离做得更小，技术上有条件使天线振子组合器件做有源化、集成化和模块化设计。

本发明实施例提供的一种天线，将多个有源集成天线单元集成二维结构的有源阵列模块，单个有源阵列模块可以通过其中的有源集成天线单元独立实现波束赋形功能，多个有源阵列模块可以实现空间复用和空间分集功能，使得多输入多输出的MIMO天线同时具备较好的空间复用、空间分集和波束赋形功能。

在上述实施例的基础上，各有源阵列模块包括多个有源集成天线单元，具体为：

各有源阵列模块包括由n×m×q个所述有源集成天线单元组成的三维结构；其中，n、m和q均为正整数。

具体地，各有源阵列模块中的多个有源集成天线单元可以排列成n×m×q的三维结构，其中，n、m和q均为正整数，具体数值可以根据实际需要进行设置，本发明实施例不作具体限定。即多个有源集成天线单元可以排列成立体的三维结构，以能够更好地实现波束赋形功能。

本发明实施例提供的一种天线，将多个有源集成天线单元集成三维结构的有源阵列模块，以增加有源集成天线单元的数量，单个有源阵列模块可以通过其中的有源集成天线单元独立实现波束赋形功能，多个有源阵列模块可以实现空间复用和空间分集功能，使得多输入多输出的MIMO天线同时具备较好的空间复用、空间分集和波束赋形功能。

在上述实施例的基础上，各有源阵列模块包括的有源集成天线单元数量相同。

具体地，各有源阵列模块中的有源集成天线单元数量相同，如：MIMO天线中包括16个有源阵列模块，每个有源阵列模块中都包括4个有源集成天线单元，其中各有源阵列模块中的有源集成天线单元的排列结构可以相同。

本发明实施例提供的一种天线，将多个有源集成天线单元集成有源阵列模块，每个有源阵列模块中包括相同数量的有源集成天线单元，以使得各有源阵列模块的功能比较稳定，更好的实现空间复用、空间分集和波束赋形功能。

在上述实施例的基础上，所述第一预设距离为(10+1/4)λ的整数倍，其中所述λ为所述天线的工作波长。

具体地，将天线中的各有源阵列模块之间的距离设置为(10+1/4)λ的整数倍，其中λ为MIMO天线的工作波长。如图1所示本发明实施例中将有源阵列模块排列成二维结构，x轴方向相邻有源阵列模块之间的距离设置A，y轴方向相邻有源阵列模块之间的距离设置为B，本发明实施例中将A和B的值设置为(10+1/4)λ的整数倍，当然根据实际使用需要，综合天线的实际结构等其他因素，A和B的值还可以设置为其他数值，并且A和B的值可以设置为不相同。

本发明实施例提供的一种天线，将各有源阵列模块之间的距离设置为远远大于天线工作的1/4波长，使得天线种各有源阵列模块中的多振子即各有源集成天线单元产生的多通信信道间的干扰最小，能够实现较好的空间复用和空间分集功能。

在上述实施例的基础上，所述第二预设距离为λ/2的整数倍，其中所述λ为所述天线的工作波长。

具体地，将有源阵列模块中的各有源集成天线单元之间的距离设置为λ/2的整数倍，其中λ为天线的工作波长。如图1所示本发明实施例中将有源阵列模块排列成二维结构，相邻有源集成天线单元沿如图1所示的x轴方向的距离为a，y轴方向的距离为b，本发明实施例中将a和b的值设置为天线工作半波长的整数倍。实际应用时，为了更好的实现波束赋形功能，可以将a、b的值设置为不相同，若有源阵列模块为三维结构，则还包括沿z坐标轴的方向相邻有源集成天线单元之间的距离，假设为c，则a、b、c的值都可以根据实际使用需要进行设置，可以相同可以不同，本发明实施例不作具体限定。

本发明实施例提供的一种天线，将有源阵列模块中的有源集成天线单元之间的距离设置为天线工作波长的一半的整数倍，使得天线中的所有振子的间距满足空间相干性，能够实现较好的波束赋形功能。

在上述实施例的基础上，各有源阵列模块设置有可插拔接口，用于与所述天线背板插拔连接。

具体地，在天线中各有源阵列模块种设置可插拔接口，用于与天线背板插拔连接，以方便有源阵列模块的更换维修等，并可以根据实际使用的需要随时增加或减少天线中的有源阵列模块。并且由于有源阵列模块被设计为一种对其他功能没有任何影响的可独立执行波束赋形功能的可插拔器件，各模块在空间上具有不相干性，保证各自发射信道是具有独立衰落的不相关信道，非常方便运营商根据热点小区、或密集小区的业务需求，随时随地灵活增加或减少有源阵列模块，调整MIMO天线的空间复用和空间分集应用，满足数据业务的通信要求。

在上述实施例的基础上，所述有源集成天线单元包括相控器，所述相控器包括辐射功放单元、耦合震荡单元和相控阵元。

具体地，每个有源集成天线单元中都包括有相控器，相控器包括辐射功放单元、耦合震荡单元和相控阵元，用于对信号进行处理，实现波束赋形功能。

本发明实施例提供的一种天线，在有源集成天线单元中设置相控器，当有源阵列模块中的所有有源集成天线单元为同一信号时，通过调整每个有源集成天线单元的相控器，就可以完成波束赋形功能。

在上述实施例的基础上，所述相控器还包括：波束赋形算法芯片。

具体地，有源集成天线单元中的相控器还包括波束赋形算法芯片，波束赋形的功能完全可以由有源阵列模块独立执行，天线只需为其提供目标终端的波达方向参数即可。由于有源阵列模块中有源集成天线单元的几何位置可以按照波束赋形的理论定位，无需采用预编码和其他补偿技术，又由于基于波束赋形的阵元权值算法比较简单，可以固化集成，既可降低模块的技术度，又可减少消耗系统资源的软件操作，所以有源阵列模块可以快速执行波束赋形功能。

在上述实施例的基础上，本发明实施例提供一种通信终端，包括上述实施例所述的天线。

具体地，本发明实施例提供的一种通信终端，应用上述实施例中的天线进行信号的接收、处理和发送，具体可以是手机终端，或其他通信终端，本发明实施例不作具体限定。

本发明实施例提供的一种通信终端，并且结构简单，可以同时满足多用户的需求，能够保证较好的空间复用、空间分集和波束赋形功能。

下面结合理论分析，以验证本发明实施例提供的天线能够实现较好的波束赋形、空间复用以及空间分集功能，具体分析如下：

本发明实施例提供的是针对多用户的有源大规模MIMO天线，其中有源大规模MIMO天线是以有源阵列模块作为辐射单元，用于进行信号的接收、处理和发送，其中辐射单元和有源阵列模块是相同的结构，具有相同的功能，下文所述的辐射单元即为上述实施例中的辐射单元。将有源阵列模块分布在MIMO天线上的不同位置，所以有源阵列模块对目标用户处产生的波束赋形与有源阵列模块的位置有关。为了使有源阵列模块真正成为一个独立的即插即用的可插拔模块，可以给MIMO天线中安装有源阵列模块的位置设置一个位置标志。图2为本发明实施例中又一多输入多输出天线的结构示意图，如图2所示，在有8个有源阵列模块即辐射单元的MIMO天线上各有辐射单元的位置分别标记为1～8，每个有辐射单元中包括4×4＝16个有源集成天线单元即阵元振子，排列为二维结构。当有辐射单元插入到位置2时，天线系统就能自动识别，并按照位置2来计算辐射单元的波束赋形对准用户终端。有源大规模MIMO天线的最大不同，就是作为辐射单元的有源阵列模块的设计与应用，若以有源阵列模块为辐射单元，则天线的空间复用和空间分集等基本功能与传统MIMO天线就没有多少差别，通过相关编码技术，可以使各有源阵列模块支持不同信号的用户复用即空间分集，或相同信号的空间复用功能，实现用户复用或空间复用的措施主要是使各模块间尽可能保持辐射信号的无关性，而这个无关性则主要由各模块的间距决定的，与现有技术的MIMO天线相同。因此，本发明实施例主要研究有源阵列模块即辐射单元是怎样根据终端的波达方向产生波束赋形的。

设在8个有源阵列模块的二维MIMO天线中，各相邻有源阵列模块x轴的间距为A，y轴的间距为B，x轴有N个辐射单元，y轴有M个有源阵列模块。设作为辐射单元的有源阵列模块是由n×m×q个阵元振子即有源集成天线单元组成的三维阵列，x轴阵元振子间距为a，y轴阵元振子间距为b，z轴阵元振子间距为c，x轴有n个阵元振子，y轴有m个阵元振子，z轴有q个阵元振子。设有移动终端位于MIMO天线正面P(R,θ,)处，其中R、θ、分别为P点的球坐标，若以z轴为MIMO天线平面法线，则θ是辐射单元即有源阵列模块的下倾角，是辐射单元的方位角，R为MIIMO天线中心坐标原点至P点的距离。

设以MIMO天线坐标XYZ为参考，在第(I,J)处的辐射单元中的第(i、j、z)处的阵元振子的坐标为d(i,j,k)，该阵元振子与终端P(R,θ,)处的距离r(i,j,k)可表示为公式(1)：

由于r>>IA、r>>ia、r>>JB、r>>jb、r>>kq，利用一阶泰勒展开，公式(1)开方后可简化为公式(2)：

所以，位于P(R,θ,)的终端接收第(I,J)个有源阵列模块中第d(i,j,k)个阵元振子的信号时，相对于MIMO天线中心处的相位差为公式(3)：

终端收到来自第(I,J)个辐射单元中阵元振子d(i,j,k)辐射的发送信号可表示为公式(4)：

设MIMO天线的第(I,J)个辐射单元中第d(i,j,k)个阵元振子的阵列权函数为w(I,J,,i,j,k)，则位于P(R,θ,)终端收到第(I,J)个有源阵列模块的接收信号可表示为公式(5)：

最后得到MIMO天线第(I,J)个辐射单元的方向图函数为如下公式(6)：

根据通信理论，得到第(I,J)个有源阵列模块对准目标方位角(θ0,)的方向图函数为如下公式(7)：

显然，只要有终端波达方向的目标方位角(θ₀,)，就可以得到对准目标的波束赋形函数。

假设通信载波主频率f＝30GHz，则波长λ＝1cm；设MIMO天线中的有源阵列模块为N＝2，M＝4；设有源阵列模块中的阵元振子即有源集成天线单元的数量为n＝4，m＝4，q＝2，即排列为三维结构时，则有源大规模MIMO天线中的阵元振子总数为256。为了保证有源阵列模块的独立性，取A＝B＝10.25λ；为保证阵元振子的相干性，取a＝b＝c＝λ/2。设有源大规模MIMO天线覆盖小区内有8个用户，分别对应8个有源阵列模块，对应的目标下倾角全为60度，方位角分别为10度、20度、30度、40度、50度，60度，70度和80度，或者对应的目标方位角全为45度，下倾角分别为10度、20度、30度、40度、50度，60度，70度和80度。取权值w₀(I,J,i,j,k)＝1，根据公式(7)，用MATLAB分析有源大规模MIMO天线各有源阵列模块对应各用户的波束赋形的方向图。

图3为本发明实施例中下倾角为60度各方位角的水平波束赋形的方向图，图4为本发明实施例中方位角为45度各下倾角的垂直波束赋形的方向图，如图3和图4所示，虽然各终端间的方位角和下倾角只有10度之差，但波束赋形已经清晰地将其分开，也就是说，在MIMO天线中的各有源阵列模块组成的辐射单元发射的波束从空间位置上是完全独立的，加之各天线块间的距离都在波长的十倍以上，每个有源阵列模块组成的辐射单元的场强影响可以忽略，所以各辐射单元形成的波束赋形也是独立的。至于各辐射单元间的分集增益与复用增益，则完全取决于每个有源阵列模块对同一用户信号的空时编码。

公式(7)表明，权值w₀的意义是波束赋形的传输长度，该权值甚至可以只对辐射单元取值。波达方向角(θ₀,)实际上是目的终端的下倾角和方位角。所以，天线系统若能从波达方向值中获得目标终端距基站的距离、下倾角和方位角值，直接将其输入作为辐射单元的有源阵列模块，就可以使辐射单元产生对准目标终端的赋形波束。由此可见，本发明实施例提供的有源大规模MIMO天线，在波束赋形应用方面的设计可以做得非常简单。

本发明实施例提供的一种天线以及通信终端，是面向5G的有源大规模MIMO天线以及包括该天线的通信终端，因为5G主频的波长更短，适应天线振子即有源集成天线单元的有源化、模块化和集成化。本发发明实施例提供的天线是采用有源阵列模块作为MIMO天线的辐射单元，而有源阵列模块是一款由多个有源集成天线振子组成的二维或三维阵列，阵列中的振子间距为半个波长的整数倍，满足相邻信道的相干性。且有源阵列模块是将振子阵列、功放系统和相控电路等集成一体的有源器件，该模块只需天线系统提供目标终端的波达方向参数，就可以独立完成波束赋形，因而可以做成具有专用、独立和可插拔模块插件。结构简单，且可高质量地完成空间复用、空间分集和波束赋形等功能。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种天线，其特征在于，包括：

天线背板，以及设置在所述天线背板上的多个有源阵列模块；

多个所述有源阵列模块按照矩阵排列，各有源阵列模块之间具有第一预设距离；

各有源阵列模块包括多个有源集成天线单元，且各有源集成天线单元之间具有第二预设距离，所述第一预设距离大于所述第二预设距离。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，各有源阵列模块包括多个有源集成天线单元，具体为：

各有源阵列模块包括由n×m个所述有源集成天线单元组成的二维结构，其中，n和m均为正整数。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，各有源阵列模块包括多个有源集成天线单元，具体为：

各有源阵列模块包括由n×m×q个所述有源集成天线单元组成的三维结构；其中，n、m和q均为正整数。

4.根据权利要求2或3所述的天线，其特征在于，各有源阵列模块包括的有源集成天线单元数量相同。

5.根据权利要求1或2或3所述的天线，其特征在于，所述第一预设距离为(10+1/4)λ的整数倍，其中所述λ为所述天线的工作波长。

6.根据权利要求1或2或3所述的天线，其特征在于，所述第二预设距离为λ/2的整数倍，其中所述λ为所述天线的工作波长。

7.根据权利要求1或2或3所述的天线，其特征在于，各有源阵列模块设置有可插拔接口，用于与所述天线背板插拔连接。

8.根据权利要求1或2或3所述的天线，其特征在于，所述有源集成天线单元包括相控器，所述相控器包括辐射功放单元、耦合震荡单元和相控阵元。

9.根据权利要求8所述的天线，其特征在于，所述相控器还包括：波束赋形算法芯片。

10.一种通信终端，其特征在于，包括如权利要求1至9任一所述的天线。